Lezioni di
biochimica
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Lezione 5
Il metabolismo
dei carboidrati
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© Zanichelli editore, 2014
La produzione di energia:
catabolismo dei nutrienti
La degradazione enzimatica delle sostanze nutritive
principali (carboidrati, lipidi e proteine) procede
attraverso una serie di reazioni che hanno lo scopo
ultimo di generare energia chimica.
Questa energia viene utilizzata per tutte le reazioni
cellulari, ivi comprese quelle anaboliche (biosintesi).
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Il catabolismo dei carboidrati:
la glicolisi (I)
• La glicolisi è la via di degradazione del glucosio
(a 6 atomi di C) a piruvato (a 3 atomi di C).
• In condizioni anaerobie, il piruvato sarà ridotto
ad acido lattico (fermentazione lattica).
• In condizioni aerobie, il piruvato sarà usato per
generare acetil-CoA (a due atomi di C) che entrerà
nel ciclo di Krebs.
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Il catabolismo dei carboidrati:
la glicolisi (II)
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Le fasi della glicolisi
Le reazioni della glicolisi
sono organizzate in due
fasi principali:
1. La fase di preparazione,
in cui viene investita
l’energia di 2 ATP per
generare il
fruttosio 1,6-bisfosfato.
2. La fase di recupero,
in cui si generano due
piruvato e si producono
4 ATP.
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La fase di preparazione
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L’esochinasi
L’esochinasi è presente in tutte le cellule che fanno
la glicolisi.
È in grado di fosforilare molti esosi (come mannosio
e fruttosio) ed è inibita dal prodotto della reazione
(glucoso-6-P).
Quando la cellula ha soddisfatto il suo bisogno di
ATP, si accumula glucosio-6-P che inibisce la
glicolisi.
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La glucochinasi
La glucochinasi è specifica per il glucosio ed è
presente nel fegato e non è inibita dal glucoso-6-P.
Questa differenza rispecchia i differenti metabolismi
cellulari: il fegato è il principale regolatore della
glicemia, quindi deve essere in grado di operare la
glicolisi in risposta non solo al fabbisogno energetico
ma anche alla concentrazione di glucosio del sangue.
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La fase di recupero
Alla fine si generano quindi 4 ATP (due per ogni
gliceraldeide-3-P presente all’inizio) e 2 molecole
di piruvato.
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La produzione di energia:
ossidazione (I)
Tutti gli organismi eterotrofi ricavano la loro energia da
reazioni di ossido-riduzione, in cui elettroni sono
trasferiti da un donatore (agente riducente) a un
accettore (agente ossidante).
Negli organismi aerobi, l’energia è ottenuta dalla
respirazione, in cui l’ossigeno è l’accettore finale degli
elettroni generati durante le reazioni di ossidazione del
catabolismo dei nutrienti.
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Destino del piruvato in condizioni
anaerobie: fermentazione lattica
In condizioni anaerobie, la glicolisi procede riducendo
il piruvato a lattato (fermentazione lattica). Gli
elettroni necessari sono forniti dal NADH+H+
generatosi nella fase di rendimento.
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Destino del piruvato in condizioni
anaerobie: fermentazione alcolica
In alcuni lieviti (per esempio il lievito di birra) avviene
invece la fermentazione alcolica, in cui il piruvato
è prima decarbossilato (perde 1 C) ad acetaldeide
(+ CO2) che viene poi ridotta (usando il NADH+H+)
a etanolo.
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Destino del piruvato in condizioni
aerobie: l’acetil-CoA
In condizioni aerobie, il piruvato è importato all’interno
dei mitocondri. Qui, il complesso della piruvato
deidrogenasi opera una decarbossilazione, in cui il
piruvato a 3C viene trasformato in acetil-CoA (a 2C)
+ CO2. Gli elettroni generati sono ceduti al NAD+.
L’acetil-CoA così formato entra nel ciclo di Krebs.
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Considerazioni finali sul bilancio
energetico della glicolisi (I)
Nella glicolisi abbiamo visto il trasferimento di 2
fosfati da ATP a un esoso (glucosio e fruttosio) e di
due fosfati dall’acido fosforico a due triosi
(gliceraldeide-3-P).
Questi 4 fosfati vengono poi donati nuovamente all’ADP
per formare 4 ATP. Dato che due ATP erano stati
consumati, il bilancio netto è di 2 ATP.
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Considerazioni finali sul bilancio
energetico della glicolisi (II)
Il passaggio chiave che consente il guadagno
energetico è l’utilizzo del fosfato per generare
l’1,3-bisfosfoglicerato.
La delucidazione di questo meccanismo ha fornito
la prima prova che l’energia derivata dall’ossidazione
di una molecola organica può essere conservata
sotto forma di ATP.
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La gluconeogenesi riparte
dal piruvato
La biosintesi del
glucosio nel
fegato parte da
piruvato, che il
fegato ricava sia
dal lattato, sia
da molecole
come gli
amminoacidi.
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La gluconeogenesi non è
l’inverso della glicolisi
La biosintesi del glucosio non è l’inverso della sua
degradazione, le due vie sono indipendenti.
Via glicolitica
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Via gluconeogenetica
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La glicogenosintesi
Il glucosio-6-P
può venire
utilizzato in
molte cellule
(fegato,
muscolo) per
sintetizzare il
glicogeno,
un’importante
riserva di
energia.
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La demolizione del glicogeno
Il glicogeno può essere demolito generando unità di glucosio1-P, grazie alla glicogeno fosforilasi.
Queste sono poi trasformate in glucosio-6-fosfato.
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La regolazione di glicolisi e
gluconeogenesi è speculare
La glicolisi è regolata a livello della
fosfofruttochinasi (da fruttosio 6-fosfato a fruttosio
1,6-bisfosfato) che è inibita da ATP e citrato e
attivata da AMP e ADP.
Specularmente, la reazione corrispondente nella
gluconeogenesi (da fruttosio 1,6-bisfosfato a fruttosio
6-fosfato) è regolata dalla fruttosio bisifosfatasi,
che viene attivata da ATP e citrato e inibita da AMP
e dal fruttosio 1,6-bisfosfato.
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